Le Transistor Bipolaire.

Le Transistor Bipolaire.
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I) Présentation.
Le transistor a été élaboré pour la première fois en 1948. Il est composé de deux jonctions, placées
en série, très proches l'une de l'autre
NPN
et de polarité opposée.
VBE
iE
iC
On distingue le transistor NPN, et le
transistor PNP, dont voici les symboles et conventions.
iB
iB
VCE
VCE
VBE
iE
fig:1
PNP
iC
Avec les conventions fig:1.
v pour un NPN
iC, iE, iB sont positifs.
VCE, VBE sont positifs.
v pour un PNP
iC, iE, iB sont positifs.
VCE, VBE sont négatifs.
Nous allons étudier plus particulièrement le transistor NPN.
Il est constitué d'une jonction NP (Collecteur-Base) et d'une jonction PN (Base-Emetteur). Suivant
le mode de polarisation de ces deux jonctions (bloquée = inverse ou passante = directe), quatre
modes de fonctionnement du transistor peuvent apparaître:
Jonction collecteur-base
Jonction base-émetteur
Mode de fonctionnement
Inverse
Directe
Normal
Bloquée
Bloquée
Bloqué
Directe
Directe
Saturé
Directe
Inverse
Inverse
Enfin, il existe des relations entre les courants:
IS: courant de "saturation"
Ut = kT/q = 25mV à 300K
v iE = iC + iB
v iC = βiB + iCEO
v iC = αiE + iCBO avec α = β/(β+1) et
iCEO = (β+1)iCBO
v iE = IS [Exp(VBE/Ut) -1]
II) Etude des régimes statique et dynamique.
Etude dans le cas du transistor NPN monté en émetteur commun.
Le montage étant représenté fig:2.
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VCC
II-1) Etude du régime statique.
fig:2
Les équations (lois des mailles pour les mailles d'entrée et
de sortie) donnent:
RC
1) VBB = VBE + RB.IB
Soit
iC
Vbb−Vbe
IB =
Rb
appelée: Droite d'attaque
RB
iB
VCE
2) VCC = VCE + RC.IC
Soit
IC =
Vcc−Vce
Rc
VBB
VBE
appelée: Droite de charge
0v
Le point de fonctionnement (en régime statique) du transistor est ainsi obtenu par intersection de la
droite d'attaque avec la caractéristique Ib = f(Vbe) du transistor (utilisation de la caractéristique
d'entrée du transistor). On utilise ensuite la caractéristique de transfert (Ic = f (Ib)). Enfin la caractéristique de sortie (Ic = f(Vce) pour différentes valeurs de Ib) permet par intersection avec la
droite de charge, d'obtenir le point de fonctionnement en sortie (Vce).
@
Exercice: VCC = 10v
RC = 360Ω VBB = 1v pour RB = 5kΩ puis RB = 1,4kΩ .
Déterminez graphiquement les points de fonctionnement relatifs à ces deux cas de polarisation
(Transistor: 2N2222).
II-2) Etude en régime linéaire: schéma équivalent dynamique.
En régime dynamique (signaux de faible amplitude autour d'un point de fonctionnement fixe appelé
point de repos), on peut décrire le comportement d'un transistor à l'aide des paramètres d'un quadripôle. On utilise de préférence les paramètres h (hybrides) et y (admittances).
Paramètres hybrides: (hybride signifie: issu de 2 espèces différentes = mélangé).
Ces paramètres sont appelés hybrides car ils donnent u1 et i2 (une tension et un courant, l'un d'entrée l'autre de sortie) à partir du produit de la matrice des paramètre hybrides et du vecteur formé
par i1 et u2 (les deux autres grandeurs: courant d'entrée et tension de sortie)
 u1   h11 h12   i1 
*

 =

 i2   h21 h22   u2 
i1
i2
Quadripole
Soit en développant:
u1
u2
u1 = h11.i1 + h12.u2
0V
i2 = h21.i1 + h22.u2
Paramètres admittances y:
Ces paramètres sont appelés ainsi car ils donnent i1 et i2 à partir du produit de la matrice des paramètre admittance et du vecteur formé par u1 et u2.
 i1   y11 y12   u1 
*
  =

 i2   y21 y22   u2 
Attention les paramètres h et y dépendent du montage (émetteur commun ou base commune,
car l'entrée se fait sur la base pour le premier et sur l'émetteur pour le montage base commune). On
ajoute donc en indice sur les paramètres h ou y, les lettres e ou b pour indiquer le type de montage.
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Le transistor monté en émetteur commun admet alors le schéma équivalent en dynamique (basse
fréquence) représenté ci-contre.
i1
Dans ce cas i1=ib, u1= vbe, i2=ic et u2=vce
h11
i2
c
b
vbe = h11. ib + h12. vce
ic = h21. ib + h22. vce
h12.u2
u1
(Rem: il faudrait alors écrire h11e, h12e, h21e et
h22e), ou:
vbe = hIE ib + hRE vce
ic = hFE ib + hOE vce
u2
1
h22
h21.i1
e
e
En première approximation on néglige souvent h12.vce devant h11.ib, et h22.vce devant h21.ib. Le
schéma équivalent du transistor correspond alors au schéma simplifié en basse fréquence représenté
fig:3.
h11
ib
ic
B
C
Ce schéma est défini par le système d'équation:
= h11. ib
{ vbe
ic = h21. ib
vbe
vce
h21 ib
v le paramètre h11 dépend du courant de polarisation IC:
E
fig:3
β
h11 = h21 Ut
IC
Ut = kT/q = 25mV à 300K
IC: Courant de repos
v le paramètre h21 n'est pas constant avec la fréquence. A partir d'une fréquence de coupure appelée fβ, il décroît de -20 dB/décade.
Soit: h21 =
h21
(dB)
β
1 + jf / fβ
β
(dB)
fβ est connu par l'intermédiaire de fT (fréquence de
transition) qui est une donnée constructeur.
h21 = 1 pour f = fT, soit fT = β fβ
β
Exemple: pour le 2N2222 βmin = 75 et fTmin =
250 MHz d'où fβ = 3,3 MHz .
0
f
fβ
fT
II.3) Etude en régime de commutation.
v Le point de fonctionnement se trouve sur la courbe IC=f(VCE) pour IB=0: c'est la zone de
blocage du transistor. (Blocage VBE < 0,6v)
v Le point de fonctionnement est en dessous de βiB: c'est la zone de saturation du transistor. (Saturation IC < β mini iB)
@
Repérez sur le document caractéristique d'un transistor bipolaire 2N2222, les deux zones
caractérisant le fonctionnement en régime de commutation.
II.3) Bilan énergétique.
La puissance totale dissipée dans un transistor est la somme des puissances dissipées au niveau de
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la caractéristique d'attaque (puissance d'entrée: Pe) et au niveau de la caractéristique de charge
(puissance de sortie: Ps). Dans la plupart des applications, la puissance dissipée en sortie est bien
plus grande que celle dissipée en entrée!
Ptot = Pe + Ps = VBE.IB + VCE.IC ≈ VCE.IC
Or la puissance que peut dissiper un transistor est limitée. Cette limitation est due à l'élévation de la
température du silicium qui ne peut dépasser une valeur maximale, dite température maximale de
jonction. Cette grandeur est une donnée caractéristique de chaque transistor. Cependant elle se situe le plus souvent dans la plage:
125°C ≤ Tjmax ≤ 200°C
@
Calculez la puissance totale dissipée dans le transistor 2N2222, pour le premier point de
fonctionnement précédemment défini (RB=5kΩ) et vérifiez que Ptot ≈ VCE.IC
Tracez sur le document caractéristique d'un transistor bipolaire Ic=f(Vce), la courbe d'isopuissance
maximale du transistor 2N2222: hyperbole de dissipation maximale.
Conclure sur le fonctionnement du transistor en régime de commutation.
Dans le cas où la température de jonction, calculée avec les paramètres de l'application dépasse la
température maximale de jonction autorisée pour le semi-conducteur, il est nécessaire d'utiliser un
dissipateur de chaleur appelé aussi refroidisseur ou radiateur, afin d'améliorer le transfert des calories de la jonction vers l'air ambiant (diminution de la résistance thermique entre la jonction et l'air
ambiant Rthja):
Tja = Tj - Tamb = Rthja.Ptot
avec Rthja en K/W ou en °C/W
Les performances thermiques des refroidisseurs dépendent de la conductivité thermique de la matière utilisée (le plus souvent de l'aluminium), des dimensions de la surface, de la masse, de la couleur et de la position de montage. Ces performances sont caractérisées par la résistance thermique
Rthra du refroidisseur.
C'est cette valeur Rthra qu'il faut déterminer à partir des données de l'application et en utilisant la
formule:
Rthra = Tjmax - Tamb - (Rthjc + Rthcr)
P
P: Puissance totale que doit dissiper le transistor
Tjmax: Température de jonction maximale en °C, donnée par le fabricant du semi-conducteur (à réduire de 20 à 30°C comme coefficient de sécurité)
Tamb: Température ambiante en °C (à augmenter de 10 à 30°C pour tenir compte de la radiation du refroidisseur)
Rthjc: Résistance thermique jonction/boîtier (case), donnée par le fabricant du semi-conducteur, en °C/W ou en K/W
Rthcr: Résistance thermique boîtier/refroidisseur. Cette résistance dépend du montage du
transistor sur le refroidisseur.
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Rthra: Résistance thermique du refroidisseur.
Pour un boîtier TO3, voici quelques valeurs caractéristiques de Rthcr:
0,05°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,2°C/W
v Montage à sec, sans isolation:
v Montage avec pâte thermique, sans isolation:
0,005°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,1°C/W
v Montage avec mica (0,05 mm) et pâte thermique:
0,4°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,9°C/W
v Montage avec entretoise en oxyde d'aluminium et pâte thermique:
0,2°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,6°C/W
Exemple: Un transistor 2N3055 doit dissiper 40 W, sous une température ambiante de 25°C. Le
montage sur le refroidisseur s'effectue avec pâte thermique et isolation mica (0,05 mm). Les données du fabricant relatives au 2N3055 sont:
Tjmax = 200°C
et
Rthjc = 1,5°C/W
Détermination de la résistance thermique maximale du refroidisseur nécessaire:
Rthra = Tjmax - Tamb - (Rthjc + Rthcr)
P
avec Tjmax = 200 - 20 = 180°C (par sécurité)
Tamb = 25 + 20 = 45°C
Rthcr = 0,9°C/W
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Rthra = 0,975°C/W
Ce refroidisseur peut être réalisé en profilé extrudé SK 30 (Fischer Elektronik), de longueur supérieure à 75 mm.
III. Résultats des principaux montages linéaires.
Les principaux montages et leurs résultats (émetteur commun, collecteur commun et base commune) figurent sur la page "Comparaison des Trois Montages Fondamentaux".
IV. Association de transistors.
Il existe deux associations principales qui permettent l'augmentation du rapport en courant β =
IC/IB:
a) Montage darlington: (2 transistors de même nature).
C
Le transistor équivalent est de même nature que les deux transistors.
B
Son gain β est égal à :
T1
β = β1 + β2(β1 +1) ≈ β1β2.
T2
R
Mais, il a une tension VBE équivalente de 2 VBE.
E
La résistance R évite que le courant de fuite de T1 ne soit amplifié
par T2, lorsque l'ensemble est bloqué, et permet l'amélioration de la
commutation (passage de la conduction au blocage) par évacuation
des charges stockées dans la base de T2.
b) Montage à source contrôlée: (2 transistors de nature différente).
La nature du transistor équivalent est du même type que celui du
transistor de commande (T1).
C
R
Son gain β est égal à :
T2
β = β1 + β2β1 ≈ β1β2
B
T1
Par contre, la tension VBE équivalente est égale à Un VBE,
uniquement.
E
La résistance R assure un bon blocage de T2.
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